不插电:给电动汽车充电的新方法

迈凯轮有史以来最快的公路车无线充电

迈凯轮Speedtail Hyper-GT是英国汽车制造商有史以来最快的公路车。在测试接近尾声时，这款油电混合动力跑车的原型车在美国宇航局位于佛罗里达州的约翰尼·伯默试验场(Johnny Bohmer)达到了每小时403公里(250英里)的速度。2020年量产车型的规格显示，它可以在13秒内从0加速到300公里(186英里)每小时。

为了在不使用这款空气动力学三座汽车时给轻量级电池充电，迈凯伦与腔的自由使用他们的无线电动车充电(WEVC)系统。“速尾”是世界上第一款采用这种技术的汽车。

“未来将提供多种不同的充电方式。目前我们有静态，然后我们转向半动态。最后一步是完全动态充电，你将能够以超过每小时100公里的速度充电。”
罗德·威尔逊，Lumen Freedom的总经理

据Lumen Freedom总经理Rod Wilson和软件团队负责人Radek Pesina介绍，尽管手机、智能手表和其他小型设备的感应或无线充电越来越普遍，但Lumen Freedom为Speedtail设计的无线系统为电动汽车提供了独特的解决方案。

迈凯轮快尾接近基地。(图片来源:迈凯轮汽车有限公司)

无线充电对电动汽车客户来说更容易，特别是对残疾人来说。此外，这种系统减少了城市地区的视觉混乱，比现有的插电式充电站需要更少的空间。

最终，无线系统可以通过给停在红绿灯前和在高速公路上行驶的车辆充电来消除里程焦虑。“未来将提供多种不同的充电方式，”威尔逊说。“目前，我们有静态模式，然后我们将转向半动态模式。最后一步是完全动态充电，你将能够以超过每小时100公里的速度充电。”

对于Lumen Freedom来说，“快尾”项目只是一个开始。他们的量产系统有潜力改变汽车设计、交通，甚至我们所知道的电网。

充电性能接受测试

WEVC系统使用的是谐振感应磁耦合，而不是电线、插头和笨重的充电站。来自电源的电流从车辆下方地面上的发射垫通过气隙移动到车辆内的接收垫。输电效率92%以上。

地面组件和车辆组件之间进行无线通信。司机可以使用10英寸的车载触摸屏或智能设备上的应用程序来监控充电系统。高净空能力使该系统兼容所有车型，从高性能跑车到家庭轿车和suv。

使用Lumen充电板为电动汽车充电。(视频来源:Lumen Freedom)

自2016年成立以来，Lumen Freedom完善了WEVC的概念，开发了世界上第一个单箱11千瓦系统。Lumen Freedom现在是一个完全授权的Witricity公司．

Lumen Freedom采用了多种物理测试方法。一个大型铝框架，被称为门架，连接到高压Regatron电源系统，以协助模拟现实生活中的操作和电源需求。“你需要能够计算出你的能量有多少被耗散到周围环境中，有多少实际上被耦合了，”Pesina说。

当在充电板上检测到异物时，会向司机的手机发送警报。(图片来源:Lumen Freedom)

在无线电动汽车充电中，由于该系统采用了先进的混合定位技术，车辆在基座上的不对准不是一个问题。Lumen团队使用计算机控制的步进电机测试校准，以调整高度和X、Y位置，用于校准研究。

模拟帮助团队在系统软件中建立了安全协议，这样pad传感器检测到的任何极端偏差都会自动关闭整个充电系统。WEVC系统集成了一个外来物体检测系统，可以检测到接地垫上一个回形针大小的金属物体。然后它会通过应用程序提醒司机障碍物的情况。系统会关闭，直到异物被清除。

基于模型的设计加速开发

威尔逊很快指出，自动安全控制是所有系统的标准，而不仅仅是Lumen Freedom产品。但是基于模型设计的采用加速了控件的开发过程。

利用MATLAB设计了整个系统的核心软件模型和主要逻辑，包括地面组件和车辆侧面^®和仿真软件^®佩西纳说。

具体来说，MATLAB和Simulink在开发电动汽车通信控制器方面发挥了重要作用，该控制器管理车辆与地面组件之间的通信。该控制器向车辆充电板和车辆内部电池管理系统发送关键信息。这种通信必须从硬连线控制器转移到基于wi - fi的控制器，Pesina解释道。

“(在MATLAB和Simulink中建模系统)比用C代码编写要快很多倍。更不用说更简单的模拟和测试了。”
Radek Pesina, Lumen Freedom软件团队负责人

Lumen的开发人员能够快速地将主状态机移动到模型中。“大概三四天，初稿就完成了，”佩西纳说。“它的功能完全正常，执行的操作与状态机在C代码中执行的操作相同。”

电动汽车通信控制器管理的活物通知。(图片来源:Lumen Freedom)

新一轮的需求更改意味着完全重构状态机。开发商在一天内完成了这一工作。“它的完成速度比用C代码编写快了一个数量级，”佩西纳继续说。“更不用说更简单的模拟和测试了。”

将通信模型、电力电子和状态机放入模型中，可以更容易、更安全地模拟系统的整个操作。开发人员可以在他们的工作台上运行无线充电系统一个完整的周期，而不需要进行电力传输。这解放了门架和其他设备，使用高压和活电流水平进行单独的、可控的测试。

剪断绳子

Lumen Freedom团队设想oem和基础设施供应商采用WEVC系统，从而带来全面的变革。其中一个好处是电动汽车电池的尺寸最终会缩小。“随着无线充电和无线充电变得越来越普遍，未来的预测是电池的尺寸将会减小，因为你不需要携带那么多的能量，”Wilson说。

“当需求存在时，我们的系统将做好向车到家和车到电网场景过渡的准备。”
罗德·威尔逊，Lumen Freedom的总经理

无线充电也可能让我们更接近“车到家”和“车到电网”的场景。威尔逊预测，电动汽车将为房屋供电，或成为向电网出售电力的管道。用户只需将电池存储设置到所需的保持水平，从汽车或家里按一个按钮就可以进行能量传输。充满电的汽车为灯、电视和小家电供电。对于大功率家用电器，该系统将恢复从电网供电。

Wilson说:“这些测试和概念验证都已经完成了，而且在许多国家的插电式系统都已经到位了。”“当需求出现时，我们的系统将为这种转变做好准备。”

佩西纳预计，这样一个系统将稳定电网，并为能源公司提供额外的能源供应，以便部署到容易停电的地区。

汽车到电网可以鼓励可再生能源的吸收。佩西纳指出，特斯拉Powerwall能够在电源关闭的情况下为家庭供电。电动汽车的工作原理与此类似，在当地停电时为家庭光伏系统充电。

WEVC系统本身正在取得进展。威尔逊说:“当埋入室外沥青下时，即使被雪或冰雹覆盖，充电板也会继续向车辆传输信息。”

Lumen的系统可以为静止的车辆、在红绿灯前等待的车辆，甚至是在有设备的车道上行驶的车辆充电。(视频来源:Lumen Freedom)

Lumen Freedom正在为英国的零排放出租车和小型商用车开发半动态充电技术。半动态充电消除了停车和充电的需要。相反，该系统在出租车经过出租车队列时向其充电，在上车队列中移动到每个位置时再充电一点。

全动态充电也更接近于现实。一个名为Fabric的欧洲多年项目分析了电动汽车在典型行驶速度下的动态无线功率传输。在2018年结束的测试期间，法国的一个100米长的试验场被用于测试该系统。该项目表明，在中期内，动态无线传输对于城市公交车和长途货运走廊似乎是可行的，当然，也包括国内汽车。动态充电将消除里程焦虑，并在州际高速公路上长途旅行时提供无缝的不间断充电。

就在自动驾驶汽车测试升温之际，电动汽车无线充电应运而生。2020年8月，密歇根州宣布计划探索在安娜堡和底特律之间修建一条64公里(40英里)的道路，只供自动驾驶汽车使用。几家主要汽车制造商同意提供信息。这个想法是从共享车辆开始，然后扩展到个人和货运车辆。

威尔逊预计，世界各地的城市都将为自动驾驶电动汽车指定这样的区域，让它们可以边走边充电。“它来得很匆忙，”他说。“我们期待着一个巨大、光明、无线的未来。”